蓄能缸体薄壁件的车削变形问题研究

摘 要：薄壁件由于刚度较弱，容易产生变形，所以给车削加工带来一定困难，精度不容易得到保证。本文以蓄能缸体的加工为例，对薄壁件的车削变形问题进行分析，并提出了一些解决这些问题的方法。

关键词：薄壁件；车削；变形

中图分类号：TH16 文献标识码：A

1 引言

薄壁件具有重量轻、节省材料、结构紧凑等方面的优点，因此在机械加工中经常会遇到这种零件，但是这类零件的壁厚通常同他的径向或轴向尺寸相差比较悬殊，一般为几十倍或上百倍，因此工件的刚度较弱，容易产生变形，给车削加工带来了一定困难。

2 蓄能缸体车削变形分析

2.1 蓄能缸体的结构分析

蓄能缸体属于大直径的薄壁零件，如图1所示。其内径为φ190mm，外径为φ198mm，壁厚仅4mm，采用旋压工艺保证内外径及内表面粗糙度，旋压后焊接，焊后进行口部的车削，口部外径公差也比较小，仅0.115mm。由于零件壁厚较薄，又经过旋压及焊接，在车削外圆时，如果不采取措施，工件往往会产生较大的变形，口部尺寸无法保证。

2.2 产生变形的原因分析

薄壁件加工变形产生的原因很多，与人员、材料、设备、加工方法、环境等因素都有关系，结合蓄能缸体的结构，分析薄壁件加工过程中产生变形的主要原因如下。

2.2.1 毛坯的残余应力的存在产生变形

蓄能缸体毛坯经过压型、旋压、焊接，在这些过程中，毛坯内部组织容易失去平衡，产生内应力，在后来的切削过程中，内应力重新分布，必然会引起变形，这种变形对薄壁件来说更加明显。

2.2.2 工件装夹不当产生变形

因工件壁薄，在夹压力的作用下容易产生变形，从而影响工件的尺寸精度和形状精度。图2是工件在三爪卡盘上装卡示意图，当卡爪卡紧工件时，工件与卡爪的接触部分产生弹性变形，如图2a）所示，在这种状态下，车削完成后，在机床上测量外圆尺寸，完全符合图纸要求，但是松卡后，工件要从已产生弹性变形的状态恢复到原有状态，致使工件产生变形，呈现棱圆状，如图2b）所示。

产生这种变形的原因就是装夹不当，这样的装夹就像三点式的接触，使夹紧力集中在工件的三个点上，而工件壁薄，刚度弱，承受不了这么大的卡紧力，从而产生了变形。

2.2.3 刀具及切削用量选用不当产生变形

因为薄壁类工件具有刚性差和受热容易变形等加工特点，所以刀具及切削用量的选用非常重要，若选用不合理，工件的几何精度及表面粗糙度都将受到影响。

2.2.4 其它因素的影响

除了上述三个主要原因，设备精度、加工顺序、冷却、振动等因素也能引起薄壁件的加工变形。

3 减少薄壁件变形的途径和方法

3.1 减少和消除工件的残余应力

要减少残余应力，就要增加消除残余应力的专门工序，比如退火、回火、时效处理。本文之前提到，蓄能缸体在车削之前经过压型、旋压、焊接工序，为了减少在这些工序中产生的内应力，在压型后，对工件进行了退火处理，将工件均匀加热到680～720℃，保温1.5～2小时后随炉冷却，在焊接后，又对工件进行了时效处理，常用的时效处理的方法有高温时效、低温时效、热冲击时效、振动时效，对于一些精度要求极高的零件如精密丝杆，为了更好地消除残余应力，还需要在每次切削加工后都进行时效处理。

3.2 防止工件装夹变形

薄壁件最突出的特点是它的刚度弱，承受不了太大的夹紧力，合理的安装和夹紧方式，是防止工件产生变形的重要环节。

使用软卡爪装夹薄壁零件，是一种既简便又行之有效的装夹方式（如图3所示）。软卡爪可以根据工件的要求，加工成不同的形状，并且软卡爪与工件接触面大，这样卡紧力就可以均匀地分布在较大的接触面上，工件就不易变形。

3.3 选择合理的刀具及切削用量

3.3.1 刀具主要几何角度对变形的影响

车刀的选用实际上是对四角（前角、后角、主偏角、刃倾角）和刀尖状况的选用，而在这四角当中，首先就是要确定好合理的前角，在任何一把车刀中，前角都是非常重要的，前角的大小，决定着切削变形与刀具前角的锋利程度。前角大，切削变形和摩擦力减小，切削力减小，但前角太大，会使刀具的楔角减小，刀具强度减弱，刀具散热情况差，磨损加快。一般车削钢类材料的薄壁件时，用高速钢刀具，前角取5～30°，精车时取大前角，粗车时取小前角。

3.3.2 切削用量对变形的影响

在切削用量的选择方面，应在保证工件加工精度和车刀寿命的前提下，获得最高的生产效率。背吃刀量和进给量同时增大，切削力也增大，变形也大，对车削薄壁零件极为不利。而减少背吃刀量，增大进给量，切削力虽然有所下降表面粗糙度值大，使强度不好的薄壁零件的内应力增加，同样也会导致零件的变形。

3.3.3 蓄能缸体刀具及切削用量的选用

根据以上原则进行分析，最终确定刀具及切削用量如下：

A.粗车刀：采用95°机夹车刀，能合理控制排屑方向和散热条件。

切削用量：υ=150～320转/分，f=0.25～0.35mm/转，ap=1～3mm。

B.精车刀：刀片材料YT15硬质合金，前角48°～50°，这样的大前角使刀具刃口锋利，突出切割功能，减少挤压作用，切割轻快，减小切削力，降低了切削热；后角14°～16°，采用大后角可减少车刀后面与工件表面的磨擦，使车刀与工件保持点接触，工件不易受热变形；主偏角90°～93°，采用大主偏角可减少径向力，避免振动；副偏角16°，可减少磨擦中产生的热量；副后角15°，可减少摩擦热，切削轻快；断屑槽2mm左右。

切削用量：υ=100～130转/分，f=0.08～0.12mm/转，ap =0.1～0.5mm。

结论

本文通过对蓄能缸体加工的分析，对薄壁件的车削变形问题进行了探讨，也提出了一些减少和防止加工变形的方法，并经生产实践证明可行，希望能为类似薄壁零件和产品的机械加工提供一定的借鉴。

参考文献

[1]徐灏，邱宣怀，蔡春源.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社.

[2]孟少农，熊万武.机械加工工艺手册[M].北京：机械工业出版社.

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